基于沉积时间单元的单砂体研究

2022-11-21牟中海王军林

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年5期

盛军，牟中海，蒲勇，吴涛，王军林

1.中国石油青海油田分公司研究院，甘肃敦煌 736202；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；3.中国石油青海油田分公司青海油田生产运行处，甘肃敦煌 736202；4.中国石油青海油田分公司青海油田采油五厂，甘肃敦煌 736202

引言

当油田开发进入高含水期，剩余油的分布变得异常复杂，基于小层级别的单砂体研究已经无法满足高含水期的剩余油挖潜要求，因此，亟需从小层级别的研究深入到沉积时间单元的高精度表征分析。近年来，许多学者针对河流—三角洲相单砂体进行了大量研究，并取得了很多创造性的研究成果，主要包括单砂体沉积微相研究[1]、复合河道内部单砂体划分[2-3]、地震资料应用于预测单砂体分布[4-5]、单砂体的形成机理及对剩余油分布的控制[6-7]等方面。但这些研究都是建立在单一微相划分单砂体的基础上[8-12]，或者是基于Cross 的高分辨率层序地层学观点进行单砂体研究[13]，或者基于构型界面识别法识别单砂体[14]，而从沉积时间单元角度对单砂体研究较少。

笔者以尕斯库勒油田N1—油藏II 号断层上盘VII-5 小层三角洲前缘亚相为例，按照半幅点层位划分与对比准则划分出了储层、隔层沉积时间单元，在此基础上，明确了单砂体的概念，并通过储层沉积时间单元内的区域夹层、“四积”分析，对单砂体进行了识别，提出了识别标志与识别模式，建立了适合油田开发使用的单砂体研究体系。

1 研究区概况

尕斯库勒油田位于青海省柴达木盆地西南部，从构造单元来讲，属于茫崖拗陷区尕斯断陷亚区，是红柳泉—跃进一号断鼻带上的一个三级构造。尕斯库勒油田以II 号断层为界分为上盘与下盘，叠合含油面积约18.3 km2，复算探明石油地质储量为4 604×104t，可采储量1 475.28×104t，共有1 200 多口井，平均井距为100～150 m，综合含水率为75%。尕斯库勒油田N1—油藏为一岩性—构造油藏，储层岩性主要为细砂岩、粉砂岩和中砂岩，其次为含砾粗砂岩和砾状砂岩；N1—期II 号断层上盘主要物源来自西北缘阿尔金山脉，因而发育一套干燥气候条件下的辫状河—辫状河三角洲—湖泊沉积体系[15（]图1）。

图1 柴西地区下油砂山组中晚期沉积相图Fig.1 Sedimentary facies map of middle and late period of lower Youshashan Formation in west Qaidam Area

2 沉积时间单元格架

地层对比是油田开发过程中的首要工作之一，其主要任务是在砂层组对比的基础上进行小层划分与对比。小层划分主要采用标志层法、等高程法、测井曲线形态法、切片法、沉积旋回或高分辨率层序地层学等方法来进行[16-19]，所划分的小层是目前油田开发中最小级别的地层单位，而具体划分时是以自然伽马相对极大值作为小层的界线，这样划分的小层界线常位于泥岩中间，并不在砂泥岩分界处（图2），这就造成一个小层的中部通常是粗碎屑沉积，如砂岩、砂砾岩及泥质砂岩等；而上、下部为细粒沉积，如泥岩、砂质泥岩及钙质泥岩等。这种传统的小层划分方案会造成在后续的相控储层建模时，无法对砂体模型、孔渗饱等属性模型进行精细控制[20]，更无法对单砂体进行更准确的表征，影响建模数模质量。这时就需要对小层进行更小一级的沉积时间单元的划分。所谓沉积时间单元实际上是同一时期沉积的一套地层，是在小层控制下来划分的，其规模更小，控制单砂体的精度更高。

为了精确定位砂泥岩的分界线，则采用自然伽马曲线半幅点来划分沉积时间单元，这样就可以准确确定出储层沉积时间单元、隔层沉积时间单元的真实位置（图2）。原则上，两个小层之间的高伽马值段（泥岩）定义为隔层沉积时间单元，其命名为下伏小层号加A，如图2 上VII-5 与VII-6 小层之间的隔层沉积时间单元定义为VII-6A。小层内的低伽马值段（砂岩）定义为储层沉积时间单元，若小层内砂岩无夹层或只有局部夹层，其命名仍用原小层号，如VII-4 与VII-6 储层沉积时间单元的命名与原小层号一样；若小层内砂岩存在区域性夹层，则沉积时间单元名称需从上向下重编，如VII-5小层，其内部存在区域性夹层，则该小层的几个次一级的沉积时间单元依次为VII-5A、VII-5B、VII-5C 和VII-5D，其中，VII-5B、VII-5D 为储层沉积时间单元，VII-5C 为区域夹层，并用紫红色表示，这是后续配合隔层沉积时间单元划分单砂体的主要依据之一。

图2 小层与沉积时间单元划分示意图（Y8652 井）Fig.2 Scheme of the division of subzone and sedimentary time unit（Well Y8652）

对于隔层沉积时间单元来讲，它是在粗碎屑沉积间歇期沉积的，因而基本全是泥岩或泥岩类。而储层沉积时间单元则主要是砂岩，实际上由于三角洲前缘多个分流河道并存，在横向上就出现了分流河道与分流间的间互存在，如图3 上的VII-8 储层沉积时间单元，它在Y8652 井为砂岩，其他井均为泥岩，但二者属于同期沉积，所以，在储层沉积时间单元沉积期沉积的并不全是砂岩，而是砂泥岩间互存在。储层沉积时间单元在纵向上岩性不一定是均一的，除了粒度的变化，也可出现多个储层以及间歇期的泥岩夹层沉积（如VII-5 小层）。而在划分储层沉积时间单元时，一个储层沉积时间单元中，在纵向上究竟包含几个砂层较好，这个取决于划分小层时所采用的自然伽马相对极大值的选取，一旦小层确定后，小层中间的砂层数无论多少均属于同一个储层沉积时间单元，除非有区域性夹层存在。所谓区域性夹层一般是指分布大于工区三分之二面积或全工区分布的夹层，本文指全工区分布的夹层。当区域性夹层存在时，储层沉积时间单元实际上由若干个次一级的储层沉积时间单元和区域夹层组成（如VII-5B、VII-5C、VII-5D），纵向上被隔层沉积时间单元封隔。不同时间形成的储层与隔层沉积时间单元则构成了工区的沉积时间单元格架。

图3 沉积时间单元对比示意图Fig.3 Correlation of sedimentary time unit

3 单砂体概念及识别标志

3.1 单砂体的概念

所谓单砂体，顾名思义就是一个独立的砂体，它与相邻的砂体不连通甚至不连续。但目前在学术界有关单砂体的含义有不同的观点。一种观点是从成因角度对其作了定义：即单一微相成因的砂体称为单一成因砂体[2-8]，简称“单砂体”，如河口坝砂体、分流河道砂体等，但实际上同一期的这两个微相砂体多是连续分布的，从岩性上可能无法分割，因而也就不具有独立性；第二种观点是从对砂体的封隔性方面作了定义：自身垂向上和平面上都连续，但与上下砂体间有泥岩或不渗透性层分隔的砂体，横向上被不渗透的沉积体将其分隔（也被称为单砂层）[21-24]。上述两种观点都是从沉积角度论述的，第二种观点更接近单砂体的真实含义，但不全面。因为在油田开发过程中，一个单砂体就是一个独立存在的与相邻砂体没有连通的单一砂体。显然，一个单砂体的形成除了沉积成因外，还有构造（断层）成因和成岩成因，因此，笔者认为，在三维空间，被周围非渗透性的封隔层所包围的独立砂体称为单砂体。

单砂体的划分仅限于储层沉积时间单元内部，且其封隔层主要有3 个成因（图4）：（1）沉积成因：沉积成因的单砂体其上、下被隔层沉积时间单元的泥岩所封隔，侧向上可能为三角洲前缘亚相的分流间泥岩所隔离，而很多情况下又被区域性夹层的泥岩分隔成更多的单砂体（图4a）。由于沉积过程的不同，单砂体间便具有了不同的构型模式：1○前积式：由前积作用形成，一期一期的砂体向前推进成斜列状，砂体倾向与水流方向一致，这种模式通常是在湖退过程中形成。2○加积式：沉积主要受控于地壳的升降运动，砂泥岩向上一层层覆盖而形成，实际上前积、退积、侧积的部分剖面段同时也具有加积特征。3○退积式：沉积早期水动力强，砂体沉积于远离物源区，而后期随着水动力一次次减弱，砂体向近源区沉积而形成这种模式或是在湖进过程中形成的，这种情况下单砂体的叠加模式正好与前积式相反。4○侧积式：主要见于垂直水流（切物源）方向上，是由于分流河道的侧向迁移造成，剖面特征与前积式类似。上述4 种模式中，除了加积式中单砂体间的区域性夹层横向上与分流间泥岩相接触外，其他3 种模式中区域性夹层无论在上倾方向或是在下倾方向均与上覆或下伏隔层沉积时间单元的泥岩呈切线相交或在侧向上与分流间泥岩相接触。（2）构造成因：主要是断层造成砂体侧向不连续，出现砂对泥的情况，从而断层成为单砂体的侧向边界（图4b）。（3）成岩成因：主要是由于胶结作用从而使储层失去渗透性而成为单砂体的侧向边界（图4c）。

图4 单砂体成因基本模式示意图Fig.4 Genetic models of the single sand body

3.2 单砂体识别标志

3.2.1 沉积成因的单砂体

在储层沉积时间单元内，要确定单砂体，首先要识别出夹层特别是区域性夹层。

夹层是指在储层沉积时间单元内部砂岩层内所分布的相对非渗透层。夹层在注采井范围内的分布状况，对油水运动有着很大的影响。一般说来，只要在注采井组内分布比较稳定的夹层，对油水就能起到屏蔽的作用。不稳定夹层越多，其层间非均质性越强，油水运动与分布也就越复杂。

工区内常见的夹层类型有岩性夹层（图5a）与物性夹层（图5b）两种。

图5 夹层Fig.5 Interlayer

岩性夹层是由非渗透性的岩性如泥岩等形成的夹层，其渗透率较小甚至为0。在不同的沉积体系，夹层的成因不同。对于辫状河三角洲前缘亚相沉积，夹层的形成受控于分流河道的形成期次，在分流河道发育的间歇期，湖水中泥质含量较高，常形成夹层。一般来讲，越向深水区，泥岩夹层越多、厚度越大。而在水下分流河道横向上发生迁移过程中，主河道砂质较多，分流河道间泥质较多，从而形成泥岩夹层。由于河口坝的位置随分流河道的变化而变化，所以河口坝中也会发育泥岩夹层。岩性夹层主要是泥岩沉积（图5a），一般自然伽马相对较高、渗透率接近于零。

物性夹层是指储层中虽然均为砂岩，但其物性差别较大，部分储集岩类由于杂基含量大或胶结、交代等成岩后生作用使得孔隙空间、渗透率等物性参数极不利于流体在其中储存及流动（甚至可以起到遮挡层的作用），这部分就是物性夹层（图5b 上VII-13 储层沉积时间单元内部的蓝色条带）。物性夹层可根据渗透率绝对值≤0.1 mD 直接确定。

夹层可以区域性分布，也可能局部分布，也有学者把前者称作夹层沉积时间单元。区域性分布的夹层并没有量化的指标，只是相对局部夹层而言的。一般来讲，区域性夹层可以在相邻的多井间对比，而局部夹层只存在于小范围内，可能1～2 个井区，一般无法横向对比。区域性夹层是确定单砂体的主要依据，在三维空间常有特征的分布规律，据此可以将其分隔的单砂体确定为前积、加积、退积及侧积等模式（图4a）。每个单砂体在平面上常呈朵叶状或不规则状、在剖面上多成透镜状特征，如图3 上VII-5C 区域性夹层所分隔的上、下两个单砂体均为透镜状，下伏的透镜状单砂体核部（最厚处）在YG7651 井区，上覆的透镜状单砂体核部（最厚处）在Y253 井区。

3.2.2 断层成因的单砂体

这类单砂体的识别主要是断层的识别，一旦断层确定了，单砂体的边界也就确定了。断层识别的方法主要有3 个。

（1）通过小层对比来识别。在小层对比时，通过地层的缺失和重复来确定断点，在图6a 上通过小层对比可知，Y4440 井上的VII-5 小层在Y453 井上缺失，再经过相邻井论证，Y453 井的VII-5 小层缺失点即为F14正断层的断点。在图6b 上通过小层对比可知，VII-5 小层在3 口井上均有，但Y8950井重复出现，故判定该井为逆断层断点，结合相邻井确认无误，F10断层经过此点。

（2）通过地震同相轴的错断可识别井间断层。这是最直接的一种断层识别方法，可在地震剖面上连续追踪。在图6c 上过Y733 井和Y7340 井的地震剖面上出现明显的同相轴错断，显然这是构造断裂造成的，经综合解释为F13断层。

（3）根据取芯资料识别断层。这也是最直接的断层识别方法，但需要地震资料或多井资料配合才能确定断层展布特征。从图6d 可以看出，砂泥岩侧向上直接对接，很明显是断层所致。

图6 断层的识别Fig.6 Identification of fault

上述3 种方法确定的断层，在断层具有封闭性的条件下[25-26]，都可作为单砂体的边界。

3.2.3 胶结成因的单砂体

由于胶结作用，储层储渗空间被胶结物占据，从而失去渗透性而成为单砂体的边界。胶结作用可以通过两种方法来识别：（1）通过取芯资料的薄片鉴定加以识别确认，如图7a 所示，硬石膏连晶胶结几乎破坏了原所有孔隙空间，而使储层失去渗透性，从而可作为单砂体边界。（2）通过组合测井进行识别，由于取芯资料有限，所以，可以借助自然伽马与自然电位组合测井判断是否存在成岩胶结作用，如图7b 所示，VII-5 小层中的砂体在3 口井均有，因为3 口井的自然伽马均为低值；反映储层渗透性的自然电位曲线在Y433 井、Y5451 井均为负异常，说明渗透性很好，而在中间的YZ39 井则为一平直段，不具渗透性，这说明砂体虽有但却致密，因而反映了胶结作用很强，所以在该井区应为单砂体边界。

4 VII-5 小层储层沉积时间单元单砂体特征

4.1 “四积”特征

“四积”是对三角洲沉积作用中的前积、退积、加积及侧积的一个总称。根据VII-5 小层中储层沉积时间单元的沉积特征，对其“四积”特征进行了仔细分析，总的来讲，工区大部分地区VII-5 小层中储层沉积时间单元由加积体组成（图8），而部分地区则表现为前积、侧积、甚至退积的综合体，并分为两期，两期之间为一区域性夹层VII-5C，两期砂体的分布有所不同（图8，图9）。分析其原因，主要是因为三角洲相存在多个分流河道，每个分流河道的水动力强度、携砂量、侧向摆动或迁移幅度等在不同时期、不同地域都在发生变化，就造成了“四积”现象在不同地方表现不同。

图9 上盘VII-5 小层中储层沉积时间单元两期砂体叠合图Fig.9 Superimposed diagram of two-period sand bodys of reservoir sedimentary time unit in the subzone VII-5 of the hanging wall

4.2 单砂体特征

第1 期砂体（图8 中VII-5D）分布于VII-5 小层的下部，在图9 上为蓝色横线区域。这期砂体由10 个单砂体组成。其中，1-a（1 期第a 个单砂体）单砂体位于工区西部，为近北西向展布的长条状砂体，向东南方向分为两支，左侧的一支到边界断层，右侧的一支延伸到YZ39 井区，该砂体的分布主要由沉积作用控制，只是右侧一支的前端受成岩胶结带控制（图7）。1-b 单砂体位于1-a 单砂体右侧分支的前端，与1-a 右分支砂体为同期连续沉积，但由于胶结作用的封堵使二者成为不同的单砂体。1-c单砂体位于1-b 的前端，分布范围有限，呈椭圆状，属三角洲前缘区经再次改造的远砂坝砂体，孤立分布，受沉积作用控制。1-d 单砂体位于工区东南角，与1-c 单砂体特征类似。1-e 单砂体位于工区西北部，且处于1-a 与1-f 砂体之间，分布局限，受沉积作用控制。

1-f 单砂体为位于工区中部的北西向展布的条带状分布的规模较大的砂体，其中，前端有4 个分支，主要受沉积作用控制，但最左侧的一个分支，其前端被F13断层截断，从而分离出1-g 单砂体，该砂体分布范围小，这两个单砂体同时受沉积和断层双因素控制。1-h 单砂体类似于1-c，这里不再赘述。1-i 单砂体位于工区东北部，具“人”字形特征，向东分为两支，受控于沉积作用。1-j 单砂体位于工区东部，属三角洲前缘区经再次改造的远砂坝砂体，孤立分布，受沉积作用控制。

第2 期砂体（图8 中VII-5B）分布于VII-5 小层的上部，在图9 上为红色竖线区域，很明显，这期砂体的分布范围较下伏砂体大。这期砂体由7 个单砂体组成。2-a 单砂体位于工区西部，呈北西向长条状分布，向东南有两个分支，其中，右边的一个在YZ39 井区因成岩胶结作用的封堵而分离出一个2-b 单砂体，长条状，但范围有限，这两个单砂体同时受沉积和成岩双因素控制，但以前者为主。2-c单砂体位于2-b 单砂体的前端，分布范围有限，呈椭圆状，属三角洲前缘区经再次改造的远砂坝砂体，孤立分布，受沉积作用控制。2-d 单砂体位于工区中部，呈北西向带状分布，延伸到I 号断层附近，但在砂体左右两侧的前端分别被F13和F10断层切割出2-e 和2-f 两个单砂体，这两个单砂体分布局限，由上知道2-d、2-e、2-f 这3 个单砂体均受沉积和断层等因素控制。2-g 单砂体分布于工区东北部，形状不规范，北西向展布，中部虽有断层，但对单砂体不起控制作用，主要受沉积作用控制。

综上所述，VII-5 小层中储层沉积时间单元由两期沉积砂体组成，这两期砂体大部分地区以加积为主，部分地区表现为侧积、前积和退积特征，“四积”发育的强度取决于沉积时的古地理条件，沉积时每个分流河道的水动力强度、输砂量、侧向摆动或迁移幅度。从图9 中的砂体尖灭线可知，VII-5小层只有两个单砂体，除了东南角一个小的单砂体，工区其他大部分地区为连片分布的单砂体，但经过分期次单砂体分析后可知，第1 期沉积体中有10 个单砂体；第2 期沉积体中有7 个单砂体。显然，对于该油田“薄、多、散、杂”砂体特征而言，这17 个单砂体的研究成果更适合于油田开发方案的调整与部署，对提高油田产量意义重大。